應用化工畢業(yè)設計---年產10萬噸合成氨的生產工藝設計

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計（論 文）</p><p><b>　　(冶金化工系)</b></p><p>　　題 目 年產10萬噸合成氨的生產工藝設計 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b

2、>　　摘要- 1 -</b></p><p>　　關鍵詞：氮氣 ；氫氣；合成氨；氨合成塔- 1 -</p><p><b>　　前言- 2 -</b></p><p>　　第一章 概述- 3 -</p><p>　　1.1 氨的發(fā)現(xiàn)與合成- 3 -</p><p>　

3、　1.2 氨的性質和用途- 3 -</p><p>　　1.2.1氨的性質- 3 -</p><p>　　1.2.2 氨的用途- 4 -</p><p>　　1.3 合成氨生產的進展- 4 -</p><p>　　1.4 合成氨工業(yè)的特點- 5 -</p><p>　　1.4.1與能源工業(yè)關系密切- 5 -

4、</p><p>　　1.4.2農業(yè)對氮肥的需求是合成氨工業(yè)發(fā)展的持久推動力- 5 -</p><p>　　1.4.3 農用氮肥耗氨量大，利潤率不高- 5 -</p><p>　　1.4.4 工藝復雜，技術密集- 6 -</p><p>　　1.4.5適宜大規(guī)模生產，對裝置的可靠性、穩(wěn)定性要求高- 6 -</p><

5、;p>　　第二章 合成氨的基本原理及工藝流程- 7 -</p><p>　　2.1合成氨的基本原理- 7 -</p><p>　　2.2 合成氨的工藝流程- 7 -</p><p>　　2.2.1 合成氨的原料- 7 -</p><p>　　2.2.2 氨的制備方法- 8 -</p><p>　　2.

6、2.3原料氣的制備與凈化- 9 -</p><p>　　2.2.4 氨合成的工藝流程- 15 -</p><p>　　2.3 合成氨的工藝操作條件- 18 -</p><p>　　2.3.1催化劑- 18 -</p><p>　　2.3.2 溫度- 20 -</p><p>　　2.3.3 壓力- 20 -

7、</p><p>　　2.3.4 空間速度- 22 -</p><p>　　2.3.5 合成塔進口氣體組成- 22 -</p><p>　　第三章 合成氨的主要設備- 24 -</p><p>　　3.1 氨合成塔- 24 -</p><p>　　3.1.1合成塔的結構特點- 24 -</p>

8、<p>　　3.2 列管式石墨換熱器- 25 -</p><p>　　3.3 壓縮機- 26 -</p><p>　　第四章 工藝計算- 27 -</p><p>　　4.1合成氨塔的物料衡算- 27 -</p><p>　　4.2合成氨塔的熱量衡算- 31 -</p><p>　　致 謝-

9、33 -</p><p>　　參考文獻- 34 -</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　氮肥生產是現(xiàn)代化學工業(yè)中的一個重要部門,而氮肥生產主要環(huán)節(jié)是合成氨.除了制成化肥用于農業(yè)外,合成氨生產在工業(yè)、國防和改善人民衣食住行各個方面均占有重要地位。20世紀初，開發(fā)成功了三種固定氮的方發(fā)：電弧法、氰氨法和合成氨法。其中合成

10、氨法能耗最低。1913年工業(yè)上實現(xiàn)了氨的合成以后，合成氨發(fā)展很快。30年代以后，合成氨法已成為固定氮的主要方法。</p><p>　　本設計是以氮氣和氫氣為原料，用合成法制備氨氣的。文章中介紹了氨氣的產生、發(fā)展、用途和行業(yè)特點，還介紹了氨氣的合成方法、原理、工藝參數(shù)、工藝流程以及主要設備等，并對其進行了物料衡算和能量衡算等。同時優(yōu)化了工藝流程，選擇了最適宜的工藝參數(shù)和合成設備，并展望了合成氨的發(fā)展前景。</

11、p><p>　　關鍵詞：氮氣 ；氫氣；合成氨；氨合成塔</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著人們對能源的開發(fā)和利用，世界范圍內呈現(xiàn)資源緊缺的局面，能源價格不斷上漲。目前大型氨廠的產量占世界合成氨總產量的80%以上。氨是重要的無機化工產品之一，在國民經濟中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、

12、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復合肥，都是以氨為原料的，合成氨反應式：N2+3H2=2NH3。其反應式是在高溫高壓的條件下直接合成的。</p><p>　　合成氨是大宗化工產品之一，世界每年合成氨產量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產化學肥料，20%作為其它化工產品的原料。為滿足氨量日益增長的需求，除再新建若干大型合成氨廠外，另一重要環(huán)節(jié)就是充分挖掘老企業(yè)的潛力，經濟合理地對原裝置進行技術改造，以達

13、到提高生產能力，增加產量，降低能耗，提高經濟效益的目的。</p><p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　1.1 氨的發(fā)現(xiàn)與合成</p><p>　　氨是l754年普里斯特利（Priestley)加熱氯化銨和石灰混合物時發(fā)現(xiàn)的。1784年，伯托刊（C.L.Berthoiiet)確定氨由氮和氫組成。</p>

14、<p>　　19世紀中葉，隨著煉焦工業(yè)興起，副產焦爐氣中除氫、甲烷等主要組成外，尚有少量氨可以回收，但因回收的氨量不能滿足需要，促使人們研究將空氣的游離態(tài)氮轉變成氨的方法。</p><p>　　1901年，昌·查得利（Le chatelier)第一個提出氨的合成條件是高溫、高壓并采用適當?shù)拇呋瘎?。隨后，哈伯（Haber）和能斯特（Nernst)從化學熱力學角度研究了高壓下氨的合成和分解，并在一

15、定壓力下采用催化劑進行氨的合成試驗。</p><p>　　即使在高溫、高壓條件下，氫氮混合氣每次通過反應氣也只有小部分轉化成為氨，為了提高原料利用率，哈伯提出氨生產工藝為：（1）采用循環(huán)方法；（2）采用成品液氨蒸發(fā)實現(xiàn)離開反應器氣體中氨的的冷凝分離；（3）用離開反應器的熱氣體預熱進入反應器的氣體，已達到反應溫度。在機械工程師伯希（Bosch）的協(xié)助下，1910年建成了80g/h的合成氨試驗裝置。1911年，米塔希

16、（Mittasch）研究成功了活性高且耐用，至今，鐵催化劑仍在工業(yè)生產中廣泛應用。1912年，在德國奧堡巴登苯胺純堿公司建成一套日產30t的合成氨裝置。1917年，另一座日產90t的合成氨裝置也在德國洛伊納建成投產。</p><p>　　1.2 氨的性質和用途</p><p><b>　　1.2.1氨的性質</b></p><p>　　氨在標準

17、狀態(tài)下是無色氣體，比空氣密度小，具有刺激性氣味，會灼傷皮膚、眼睛，刺激呼吸器官粘膜。空氣中氨質量分數(shù)在0.5％一1.0%時，就能使人在幾分鐘內窒息。</p><p>　　氨的相對分子質量為17.03，沸點(0.1013MPa)一33．35°C，冰點一77．7°C，臨界溫度132．4°C，臨界壓力ll．28MPa．液氨的密度(0.1013MPa、一33.4°C)為0.6813

18、kg·。標準狀態(tài)下氣氨的密度7．714× kg/L。摩爾體積22．08L/mol。液氨揮發(fā)性很強，氣化熱較大。</p><p>　　氨極易溶于水，可生成含氨15%~30%（質量分數(shù)）的商品氨水，氨溶解時放出的熱。</p><p>　　氨水溶液呈弱堿性，但在有水存在的條件下，對銅、銀、鋅等金屬有腐蝕作用。一種可燃性物質，自燃電為630°C，一般較難點燃。<

19、/p><p>　　氨與空氣或氧的混合物在一定范圍內能夠發(fā)生爆炸，常壓、室溫下的爆炸范圍分別為15.5%～28%和13.5%～82%。氨的化學性質較活潑，能與酸反應生成鹽。如：與磷酸反應生成磷酸銨；與硝酸反應生成硝酸銨；與二氧化碳反應生成氨基甲酸氨，脫水后成為尿素；二氧化碳和水反應生成碳酸氫銨等等。</p><p>　　1.2.2 氨的用途</p><p>　　氨主要用來

20、制造化學肥料，也作為生產其他化工產品的額原料。</p><p>　　除液氨本身可作為化學肥料外，農業(yè)上使用的所有氮肥、含氮混肥和復合肥，都以氨為原料。</p><p>　　基本化學工業(yè)中的硝酸、純堿，含氮無機鹽，郵寄化學工業(yè)中的含氮中間體，制藥工業(yè)中的磺胺類藥物、維生素、氨基酸，化纖和塑料工業(yè)中的已內酰胺、</p><p>　　已二胺、甲苯二異氰酸酯、人造絲、丙烯腈

21、、酚醛樹脂等，都需要直接或間接以氨為原料。</p><p>　　氨還應用于國防工業(yè)和尖端技術中，制造三硝基苯酚、硝化甘油、硝化纖維等多種炸藥都消耗大量的氨。生產導彈、火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。還可以做冷凍、冷藏系統(tǒng)的制冷劑。</p><p>　　1.3 合成氨生產的進展</p><p>　　第一次世界大戰(zhàn)結束后，德國因戰(zhàn)敗而被迫把合成氨技術公開。一些國家

22、在此基礎上做了改進，出現(xiàn)了不同壓力的合成方法：低壓法(10MPa)、中壓法(20一30MPa)和高壓法(70一100MPa)。但大多數(shù)工廠采用中壓法，所用原料主要是焦炭和焦爐氣。</p><p>　　二次世界大戰(zhàn)后，持別是50年代開始，隨著世界人口不斷增長，用于制造化學肥料和其他化工產品的氨量也在迅速增加。1992年，世界合成氨產量為112．16Mt，在化工產品中僅次于硫酸而居第二位，成為重要的支柱產業(yè)之一。&l

23、t;/p><p>　　20世紀50年代，由于天然氣、石油資源大量開采，為合成氨提供了豐富的原料，促進了世界合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展。以廉價的天然氣、石腦油和重油來代替固體原料生產合成氨，從工程投資、能量消耗和生產成本來看具有顯著的優(yōu)越性。起初，各國將天然氣作為原料。隨著石腦油蒸汽轉化催化劑的試制成功，缺乏天然氣的國家開發(fā)丁以石腦油為原料的生產方法。在重油部分氫化法成功以后，重油也成了合成氨工業(yè)的重要原料。</p&g

24、t;<p>　　20世記60年代以后，開發(fā)了多種活性好的新型催化劑,能量的回收與利用更趨合理。大型化工程技術等方面的進展，促進了合成氨工業(yè)的高速度發(fā)展，引起了合成氨裝置的重大變革。</p><p>　　1.4 合成氨工業(yè)的特點</p><p>　　1.4.1與能源工業(yè)關系密切</p><p>　　合成氨生產以各種燃料為原料，同時生產過程還需燃料提供動能

25、和熱能，是一種消耗大量能源的化工產品。每噸合成氨的理論能耗為21.3GJ，實際能耗遠多于那論能耗，為理論能耗的1.3-2.6倍，隨著原料路線、裝置規(guī)模、工藝技術、裝備效率、控制水平和管理水平不同而有差異。因此，能源的供應和能源價格是發(fā)展合成氨工業(yè)的基礎，也是影響合成氨產業(yè)經濟性和企業(yè)競爭力的主要因素。</p><p>　　1.4.2農業(yè)對氮肥的需求是合成氨工業(yè)發(fā)展的持久推動力</p><p&g

26、t;　　世界人口的不斷增加給糧食供應帶來壓力，而施用化學肥料是農業(yè)增產的有效途徑世界上，除一些發(fā)達國家因施用化肥過多造成環(huán)境污染，有逐步減少化肥施用量的趨勢外，包括中國在內的多數(shù)發(fā)展中國家為提高農作物產量，對化學肥料的需求呈穩(wěn)定增長勢頭。</p><p>　　1.4.3 農用氮肥耗氨量大，利潤率不高</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，世界上用作氮肥和用于加工氮肥的合成氨量達1億噸以上，占合成氨總

27、量的85%左右。我國目前用于加工氮肥的合成氨量達3200萬噸以上，占合成氮總產量的95%左右。農業(yè)在世界各國中，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，大多屬國家政策扶持和保護的基礎產業(yè)。在我國，農業(yè)是國民經濟的基礎，是安天下的產業(yè)。因此，用合成氨加工的氮肥和含氮復合肥，其利潤率不可能太高。</p><p>　　1.4.4. 工藝復雜，技術密集</p><p>　　氨的合成是在高溫、高壓和有催化劑存

28、在下進行的，為氣固相催化反應過程。高溫、高壓條件對設備材質和加工技術要求甚高，易燃、易爆、易中毒介質對安全生產技術要求甚嚴。此外，由于氨合成催化劑易受硫化物、碳氧化物和水蒸汽等的毒害，而從各種燃料制取的原料氣中都含有不同數(shù)量的有毒物質，故原料氣在送往氨合成前，需進行凈化。由不同的原料及不同的凈化方法，產生出多種工藝流程。因此合成氨生產的總流程長，工藝比較復雜，投資也較高。</p><p>　　1.4.5適宜大規(guī)模

29、生產，對裝置的可靠性、穩(wěn)定性要求高</p><p>　　氨的合成采用管道化連續(xù)生產。一般說來。單系列裝置規(guī)模越大，運行越穩(wěn)定，則單位產品投資越省，能耗越低，運行越經濟。</p><p>　　第二章 合成氨的基本原理及工藝流程</p><p>　　2.1合成氨的基本原理</p><p>　　氨合成反應是放熱和體積減小的可逆反應。反應式為<

30、;/p><p>　　△ （2-1）</p><p>　　氨合成反應的熱效應不僅取決于溫度，而且還和壓力及組成有關。</p><p>　　在不同溫度、壓力下，純氫氮混合氣完全轉化為氨的反應熱可由下式計算：</p><p>　　式中 —純氫氮混合氣完全轉化為氨的反應熱，kJ/Kmol</p><p><b&

31、gt;　　P—壓力，MPa；</b></p><p><b>　　T—溫度，K</b></p><p>　　2.2 合成氨的工藝流程</p><p>　　2.2.1 合成氨的原料</p><p>　　合成氨，首先需要含氫氣和氮氣的原料氣。氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化分離而得，也可以制氫過程中加入空氣

32、，氮的生產大多采用后者。</p><p>　　氫氣的主要來源是水、碳氫化合物中的氫元素以及含氫的工業(yè)氣體。</p><p>　　氮、氫原料氣的生產，除需要含有氮、氫元素的原料外，還需要提供能量的燃料。因此，工業(yè)生產所需要的原料既有提供氮、氫的原料，也有提供能量的燃料?？諝夂退教幎加校≈等菀?，故一般合成氨生產原料不包括空氣和水，主要有：</p><p>　?。?）

33、固體原料 如焦炭和煤</p><p>　　（2）氣體原料 如天然氣、油田氣、焦爐氣、石油廢氣、有機合成廢氣等 </p><p>　　（3）液體原料 如石腦油、重油、原油等</p><p>　　常用的合成氨原料有焦炭、煤、焦爐氣、天然氣、石腦油和重油。</p><p>　　2.2.2 氨的制備方法</p><p>

34、　　既要解決人類對于氨需求量的持續(xù)增加，又要面臨人類全球能源問題的不斷突出，發(fā)展新型、效率更高、能耗更低、與環(huán)境友好的合成氨新技術是保證全球可持續(xù)發(fā)展的必然要求。許多科學家在這方面已經做了大量的工作，發(fā)展出一系列合成氨新方法，如常溫常壓流光放電合成氨，光催化合成氨，生物固氮合成氨，氣電化方法常壓合成氨等。</p><p>　　1.電化學方法常壓合成氨</p><p>　　電化學方法常壓合成

35、氨模型最初由GeorgeM. 和MichaelS.等人于1996年提出并將其研究成果發(fā)表在1998年的《SCIENCE》雜志上，引起人們關注。他們使用SrCe0.95Yb0.0503作為固體電解質，在570℃常壓下，利用質子導體電解質反應器合成了氨氣。此后，George M.等人將這一研究成果進一步完善，提出了較完整的電化學方法常壓合成氨模型及原理。其原理為：在質子導體電解質反應器的陽極通入H2，在外加電壓的作用下，H2在具有一定活性的

36、電極表面電解為質子:3H2→6H+ + 6e - 質子通過固體電解質傳輸?shù)疥帢O，并與陰極通入的氮氣發(fā)生半反應，生成氨氣: N2十6H十十6e- →2NH3。全反應為 :3H2+N2→2NH3電化學方法常壓合成氨原理如圖2—1。</p><p>　　此反應不再可逆，大大提高了反應效率，提高了原料氣的利用率，是催化活性的非法拉電化學修飾效應(NEMCA效應)，不再受到熱力學的限制。</p><p&

37、gt;　　圖2-1 GeorgeM等使用的反應器裝置</p><p>　　1-SCY固體電解質；2-石英管；3-陰極（Pt）；4-陽極（Pt）；5-恒電位儀；6-電壓表</p><p>　　2.常溫常壓流光放電合成氨</p><p>　　在常溫常壓條件下，利用超強窄脈沖電場在整個反應器內產生強烈流光放電，將氮氣和氫氣電離離解，產生大量自由原子、離子、自由基等，其生成

38、氨的濃度可達3700mg∕cm2</p><p><b>　　3.生物固氮合成氨</b></p><p>　　合成氨的生產和發(fā)展為化肥工業(yè)和化學工業(yè)提供反應氮素這個重大問題是緊密相關、互不可分的。生物固氮是指自然界中一些微生物和藍藻等生物體內一種固定酶的催化作用將大氣中氮轉化成氨的過程。生物固氮與目前工業(yè)上生產合成氨相比具有極大優(yōu)越性和環(huán)保優(yōu)勢，目前工業(yè)生產合成氨除需

39、要空氣、水之外。尚需消耗大量的能源和復雜的化學工藝過程和大量設備，生產合成氨必須在高溫高壓催化劑條件下進行，且轉化率一般不超過20%，而且隨生產進行，尚有部分廢氣、廢水、廢渣排放，對環(huán)境造成污染。而生物固氮是在常溫、常壓固氮酶催化作用下進行，且效率極高。如果人工合成模擬化合物，在常溫常壓條件下合成氨，將對氮肥和化學工業(yè)產生深遠的影響，并為合成氨帶來一場革命。</p><p>　　2.2.3原料氣的制備與凈化<

40、;/p><p>　　2.2.3.1原料氣的制備</p><p>　　現(xiàn)在我國主要采用三種工藝進行制氣：固定床、流化床和氣流床。晉開公司使用的是間歇固定床式工藝法來制造原料氣。固體燃料油加料機從煤氣發(fā)生爐頂部間歇加入爐內。吹風時，空氣經鼓風機加壓自上而下經過煤氣發(fā)生爐，出風氣經過燃料室及廢熱鍋爐回收熱量后放空。蒸汽上吹制氣時，煤氣經過燃料室及廢熱鍋爐回收余熱后，再經洗氣箱及洗滌塔進入氣柜。二次上

41、吹時，氣體流向和上吹相同。空氣吹凈時，氣體經燃料室、廢熱鍋爐、洗氣箱和洗滌塔進入氣柜。</p><p>　　此法發(fā)生的化學反應為：C + O2 → CO2</p><p>　　C + H2O → CO + H2</p><p>　　2.2.3.2 原料氣的凈化</p><p><b>　　1. 原料氣的脫硫<

42、/b></p><p>　　合成氨原料中，一般總含有一定數(shù)量的無機硫化物（主要是硫化氫），其次是有機硫化物如二硫化碳()、硫氧化碳(COS)、硫醇()、硫醚(RSR＇)和噻吩()等。</p><p>　　硫化氫對合成氨生產有著嚴重的危害，它不但能于鐵反應生成硫化亞鐵，并放出氫氣腐蝕管道與設備，而且進入變換和合成系統(tǒng)，使鐵催化劑中毒；進入銅洗系統(tǒng)，會使銅液中的低價銅生成硫化亞銅沉淀，使

43、操作惡化，銅耗增加。因此，半水煤氣中的無機硫化物和有機硫化物，必須在進入變換、合成系統(tǒng)以前去除。脫除硫化物的過程簡稱脫硫。脫硫的方法很多，根據(jù)所用脫硫劑的物理狀態(tài)不同，可將脫硫方法分為干法和濕法兩大類。</p><p><b>　　(1) 干法脫硫</b></p><p>　　所謂干法脫硫系采用固體吸收劑和吸附劑來脫除硫化氫和有機硫的方法。常見的干法脫硫有：</

44、p><p>　?、倩钚蕴糠?活性炭問世于第一次世界大戰(zhàn)，20世紀30年代后期，北美和西歐一些國家開始用活性炭作為工業(yè)脫硫劑。70年代采用過熱蒸汽再生活性碳技術獲得成功，使此法脫硫更趨完善，至今我國許多小氮肥廠仍在使用活性炭脫硫?；钚蕴糠ㄖ饕摮?、、、等。</p><p>　　②氧化鐵法 氧化鐵法至今仍用于焦爐氣脫硫。作為脫硫劑的氫氧化鐵只有其a-水合物和r-水合物才具有活性。脫硫劑是以鐵屑

45、或沼鐵礦、鋸木屑、熟石灰拌水調制，并經過干燥而制成。使用時必須加水濕潤，水量以30%～50%為宜。氧化鐵法主要脫除、、等。</p><p>　?、垩趸\法 氧化鋅脫硫劑被公認為是干法脫硫中最好的一種，以其脫硫精度高、硫容量大、使用性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛用于合成氨、制氫、等原料氣中的硫化氫和多種有機硫的脫除（氧化鋅能有效地脫除、、，其中最為有效，基本上不能用來脫除噻吩）。它可將原料氣中的硫化物脫除到0.05～

46、0.5/數(shù)量級，可以保證下游工序所用含有鎳、銅、鐵以及貴金屬催化劑免于硫中毒。氧化鋅脫硫劑一般用過后不再生，將其廢棄，只收回鋅。</p><p>　?、茆掋f加氫脫硫法 鈷鉬加氫法將原料氣中有機硫全部加氫轉化為無機硫的處理方法，其基本原理是在300～400℃溫度下，采用鈷鉬加氫脫硫劑，使有機硫與反應生成容易脫除的和烴。然后再用ZnO吸收，脫硫后即可達到硫化物在0.5/以下的目的。以天然氣、油田氣為原料的工廠，其烴

47、類轉化所用的催化劑對硫都十分敏感，要求硫化物脫除到0.5/以下。因此，在烴類轉化之前，首先應該將烴類原料氣中的硫化物脫除。</p><p>　　干法脫硫的方法很多，各有其特點，干法脫硫凈化度高，不僅能脫除，還能脫除各種有機硫化物。干法脫硫的脫硫劑難于或不能再生，且系間歇操作，設備龐大，因此不適于用做對大量硫化物的脫除。</p><p><b>　?。?）濕法脫硫</b>

48、;</p><p>　　采用溶液吸收硫化物的脫硫方法通稱為濕法脫硫，適用于含大量硫化氫氣體的脫除。濕法脫硫的脫硫液可以再生循環(huán)使用并回收富有價值的硫黃。</p><p>　　濕法脫硫方法眾多，可分為化學吸收法、物理吸收法和物理-化學吸收法三類。按再生方式又可分為循環(huán)法和氧化法。循環(huán)法是將吸收硫化氫后的富液在加熱降壓或汽提條件下解吸硫化氫，溶液循環(huán)使用。氧化法將吸收硫化氫后的富液用空氣進行氧

49、化，同時將液相中的HS-氧化成單質硫，分離后溶液循環(huán)使用。其過程示意如下：</p><p>　　載氧體（氧化態(tài)）+HS-→載氧體（還原態(tài)）+S↓</p><p>　　載氧體（還原態(tài)）+1/2→載氧體（氧化態(tài)）+</p><p>　　上述過程是在催化劑作用下進行的。工業(yè)上使用的催化劑有對苯二酚、蒽醌二磺酸鈉（簡稱ADA）、萘醌、拷膠和螯合鐵等。</p>

50、<p>　　目前應用較廣的改良ADA法就屬于氧化法脫硫。改良ADA法脫硫范圍較寬，精度較高（含量可脫至小于1/，操作溫度可從常溫到60℃）。其成分復雜，溶液費用較高，目前國內中型合成氨廠大多采用此法脫硫。</p><p><b>　　2. 一氧化碳變換</b></p><p>　　各種方法制取的原料氣都含有，其體積分數(shù)一般為12%～40%，一氧化碳不僅不是合

51、成氨所需要的直接原料，而且對氨合成催化劑有毒害作用，因此原料氣送往合成工序之前必須將一氧化碳徹底清除。生產一般分兩次除去。首先，利用一氧化碳與水蒸氣作用生成氫和二氧化碳的變換反應除去大部分一氧化碳，再采用銅氨液洗滌法，液氮洗滌法或甲烷化法脫除變換氣中殘余的微量一氧化碳。</p><p><b>　　變換反應如下：</b></p><p>　　+ (g)→+

52、 △= —41.19kJ/mol （2-2）</p><p>　　反應后的氣體稱為變換氣。變換的過程用變換率來表示，工業(yè)上變換率可以通過測定變換爐進出口氣體中的含量，就可確定反應的變換率。通過變換反應既能把一氧化碳轉變?yōu)橐壮サ亩趸?，同時又可制得同體積氫。因此一氧化碳變換既是原料氣凈化過程又是原料其制備的繼續(xù)。</p><p>　　在工業(yè)生產中，一氧化碳的變換反應在催化劑存

53、在下進行。高溫變換以三氧化二鐵為主體催化劑，溫度350～500℃，變換后仍含有2%～4%的一氧化碳。低溫變換用活性高的氧化銅催化劑，溫度180～260℃，殘余一氧化碳可降至0.2%～0.4%。目前我國能生產出適合各種工況條件的系列高變催化劑。</p><p>　　3. 二氧化碳的脫除</p><p>　　變化后的氣體含有大量的二氧化碳，還有少量一氧化碳等其它有害氣體，它們會使氨合成催化劑中

54、毒。另外，二氧化碳還是一種重要的化工原料，如制造尿素、純堿和干冰等都需要大量二氧化碳。在合成氨生產中，原料氣中二氧化碳的脫除往往兼有凈化氣體和回收二氧化碳兩個目的。</p><p>　　習慣上把脫除氣體中二氧化碳的過程稱為“脫碳”。脫碳的方法很多，但工業(yè)上常用的是吸收法。根據(jù)所用吸收劑的性質不同，可分為物理吸收和化學吸收兩類。物理吸收法是利用二氧化碳能溶解于水或有機溶劑這一性質來完成的。采用的方法有水洗法、低溫甲

55、醇洗滌法、碳酸丙烯酯法和聚乙二醇二甲醚法等。吸收劑的最大吸收能力由二氧化碳在該溶劑中的溶解度來決定。吸收二氧化碳后的溶液再生較為簡單，一般單靠減壓解吸即可。物理吸收的特點是熱耗低、CO2回收率不高，僅適合于CO2有富余的合成氨廠?；瘜W吸收法是用氨水、碳酸鉀、有機胺等堿性溶液為吸收劑，基于二氧化碳是酸性氣體，能與溶液中的堿性物質進行化學反應而將其吸收?；瘜W吸收法的特點是選擇性好，凈化度高，CO2的純度和回收率高，常用的化學吸收法可將CO2

56、降至0.2%以下，適用于CO2數(shù)量不能滿足工藝的合成氨廠。</p><p>　　改良熱鉀堿法，也稱本菲爾法，是一種被廣泛采用的化學吸收法。該法采用熱碳酸鉀吸收二氧化碳，反應式為：</p><p>　　++→2 （2-3）</p><p>　　由于提高溫度可提高吸收率吸收溫度為105～130℃，熱碳酸鉀法因此而得名。碳酸鉀溶液吸收二氧化碳后，應進行再生以使溶液

57、循環(huán)使用，再生反應為：</p><p>　　2→+↑+ （2-4）</p><p>　　產生的二氧化碳可回收使用。</p><p>　　加壓利用二氧化碳的吸收，故吸收在加壓下操作；減壓加熱利用于二氧化碳的解析，再生過程是在減壓和加熱的條件下完成的。 </p><p>　　為提高吸收能力，降低再生熱耗，吸收溶液中，除碳酸鉀外，還在加入活化

58、劑空間位阻胺AMP、二乙醇胺DEA或ACT-1.為減少對設備的腐蝕，加入了緩蝕劑五氧化二釩或偏釩酸鉀，為防止再生塔起跑，加入了消泡劑聚醚性、硅酮型和高級醇類等。</p><p><b>　　5. 原料氣的精制</b></p><p>　　經變換和脫除后原料氣中尚含有少量殘余的和。為了防止它們對氨合成催化劑的毒害，一般大型合成氨廠要求原料氣中和總含量不得大于10/。中、

59、小型合成氨廠要求小于25/。因此，原料氣在合成以前，還有一個最終凈化步驟。</p><p>　　由于不是酸性，也不是堿性的氣體，在各種無機、有機溶液中的溶解度又很小，所以要脫除少量并不容易。最初采用銅氨液吸收法，以后又研究成功了甲烷化法和深冷分離法等。</p><p><b>　?。?）銅氨液吸收法</b></p><p>　　這是在高壓和低溫

60、下用銅鹽的氨溶液吸收的方法，可使含量降至10/以下。此法是先吸收并生成新的絡合物,然后將以吸收的溶液在減壓和加熱的條件下再生。通常把銅氨液吸收的操作稱“銅洗”，銅鹽氨溶液稱為“銅氨液”或簡稱“銅液”，凈化后的氣體稱為“銅洗氣”或“精煉氣”。</p><p>　　銅氨液吸收法大多采用醋酸銅氨液，主要成分是醋酸二氨合銅（低價銅）[]、醋酸四氨合銅（高價銅）[]、醋酸銨和游離氨。能吸收的是低價銅，高價銅起著穩(wěn)定低價銅的

61、作用，該溶液除能吸收一氧化碳外，還可以吸收二氧化碳、硫化氫和氧，所以銅洗是脫除少量和的有效方法之一，而且在銅洗流程中也可以起到脫除硫化氫的最后把關作用。</p><p>　?、傥辗磻?吸收的反應：</p><p>　　++→ （2-5） </p><p>　　吸收的反應：2++→ （2-6）</p>&l

62、t;p>　　生成碳酸銨繼續(xù)吸收：++→2（2-7）</p><p>　　吸收的反應: +→+2 （2-8）</p><p>　　2 +2→↓+2Ac+ （2-9）</p><p>　　因此，在銅液除去的同時，也有脫除的作用。但當原料氣中含量過高，由于生成沉淀，易于堵塞管道、設備，還會增大銅液黏度和使銅液起泡。這樣既增加銅液消耗，又會造

63、成帶液事故，因此，要求進銅洗系統(tǒng)的含量愈低愈好。</p><p>　　②氨液的再生 銅氨液的再生包括兩個方面：一是把吸收的、完全解析出來；二是將被氧化的高價銅還原為低價銅，同時調整總銅以恢復銅比，使銅液循環(huán)使用。</p><p>　　銅液從銅洗塔出來后，經減壓并加熱至沸騰，使被吸收的、解析出來。此外，進行高價銅還原為能吸收的低價銅反應，即高價銅被溶解態(tài)的還原為低價銅過程，溶解態(tài)的易被高價

64、銅氧化成，此再生方法稱之為“濕法燃燒反應”，再生后銅液循環(huán)使用。</p><p>　　Cu+2Cu+4→3Cu++2+3（2-10）</p><p><b>　?。?）甲烷化法</b></p><p>　　甲烷化法是在催化劑存在下是少量、與氫反應生成和的一種凈化工藝。甲烷化法可將氣體中碳的氧化物（+）的含量脫除到10/以下。</p>

65、<p>　　甲烷化反應系甲烷蒸汽轉化反應的逆反應，所用的催化劑都是以鎳為活性組分。其反應在較低溫度下進行的，要求催化劑有很高活性。因此，甲烷化催化劑中的鎳含量要比甲烷蒸汽轉化為高，一般為15%～30%（以Ni計），有時還加入稀土元素作為促進劑。反應式如下：</p><p>　　+3→+ （2-11）</p><p>　　+4→+2 （2-12）</

66、p><p>　　該法消耗氫，同時生成甲烷，因此，只有當原料氣中（ +）的含量＜0.7%時，可采用此法。20世紀60年代初開發(fā)了低溫變換催化劑后，為這種操作方便、費用低廉的甲烷化工藝提供了應用條件。甲烷化法工藝簡單、操作方便、費用低，但合成氨原料氣惰性氣體的含量高</p><p>　?。?）深冷液氮洗滌法</p><p>　　以上兩種方法都是利用化學反應把碳的氧化物脫除到

67、10/以下，凈化后氫氮混合氣尚含有0.5%～1%的甲烷和氬。雖然這些氣體不會使合成氨催化劑喪失活性，但它們能降低氫、氮氣體的分壓，從而影響氨合成的反應速率。深冷分離法是一種物理吸收法，是在深度冷凍（＜—100℃）條件下用液氮吸收分離少量，而且也能脫除甲烷和大部分氬，這樣可以獲得只含有惰性氣體100/以下的氫氮混合氣，這是此法的一個突出優(yōu)點。對于采用節(jié)能型的天然氣二段轉化工藝由于添加過量空氣而帶入過量的氮，用深冷分離法也可脫除。</

68、p><p>　　深冷液氮洗滌法需要液體氮，從全流程的經濟性考慮，應與設有空氣分離裝置的重油部分氧化、煤純氧氣化制備原料氣或與焦爐氣分離制氫的流程結合使用。液氮洗滌的冷源通常借高壓氮洗所得富餾分節(jié)流至低壓的制冷效應獲得的。</p><p>　　2.2.4 氨合成的工藝流程</p><p>　　1. 氨合成工藝流程框圖</p><p>　　盡管氨合成

69、工藝流程各異，但合成基本原理相同，故有許多相同之處。由于氨合成率不高，大量氫氣、氮氣未反應，需循環(huán)使用，故氨合成是帶循環(huán)的系統(tǒng)。</p><p>　　氨合成的平衡氨含量取決于反應溫度、壓力、氫氮比及惰性氣體含量，當這些條件一定時，平衡氨含量就是一個定值，不論進口氣體中有無氨存在，出口氣體中氨含量總是一定值，因此反應后的氣體必須冷凝以分離所含的氨，使循環(huán)回合成塔入口的混合氣體中氨含量盡量少，以提高氨凈值。</

70、p><p>　　當循環(huán)系統(tǒng)惰性氣體積累達到一定濃度值時，會降低合成率和平衡氨含量。因此，應定期或連續(xù)排放定量的循環(huán)氣，使惰性氣體含量保持在要求的范圍內。</p><p>　　氨合成系統(tǒng)是在高壓下進行的，必須用壓縮機加壓。管道、設備及合成塔床層壓力降以及氨冷凝等阻力的原因，使循環(huán)氣與合成塔進口氣間產生壓力差，需采用循環(huán)壓縮機彌補壓力降的損失。</p><p>　　此外，還

71、有反應氣體的預熱和反應后氣體熱能的回收等。</p><p>　　工藝流程是上述步驟的合理組合，圖2—1是氨合成的原則工藝流程。合理確定循環(huán)機、新鮮氣體的補入及惰性氣體排放位置以及氨分離的冷凝級數(shù)、冷熱交換器的安排和熱能回收方式，是流程組織與設計的關鍵。</p><p>　　圖2-2氨合成的原則工藝流程</p><p>　　2. 氨合成工藝流程</p>

72、<p>　　我國中小型氨廠目前普遍采用的流程如圖2—3所示，操作壓力為32MPa左右，設置水冷器和氨冷器兩次分離產品液氨，新鮮氣和循環(huán)氣均由往復式壓縮機加壓。</p><p>　　由壓縮工序來的新鮮氫、氮混合氣壓力為32 MPa左右，溫度為30～50℃，進入油分離器1與循環(huán)器7來的循環(huán)氣匯合，在油分離器中除去油、水等雜質，微量二氧化碳、水與循環(huán)氣中的氨作用生成碳酸氫銨結晶，也一同在油分離器中除去。<

73、;/p><p>　　從油分離器出來的氣體，溫度為30～50℃，進入冷交換器2上部的熱交換器管內，被從冷交換器下部氨冷器上升的冷氣體冷卻到10～20℃后進入氨冷器3。在氨冷器內，氣體在高壓管內流動，液氨在管外蒸發(fā)吸收熱量，氣體進一步冷卻至O～8℃，使氣體中的氨進一步冷凝成液氨。氨冷器所用液氨由液氨產品倉庫送來的。</p><p>　　從氨冷器來的循環(huán)氣帶有液氨，進入冷交換塔下部的氨分離器，分離出

74、液氨，殘余的微量水蒸氣、油分及碳酸氫銨也被液氨洗滌隨之除去。</p><p>　　循環(huán)氣除氨后上升到冷交換器頂部與來自油分離器的氣體換熱，被加熱至10～30℃，分兩路進入氨合成塔4，一路經主閥由塔頂進入，另一路經副閥從塔底進入，用以調節(jié)催化劑層的溫度。</p><p>　　進合成塔循環(huán)氣的含氨量為2．8％～3．8％，反應后出塔氣體氨含量達13％～1 7％。</p><p

75、>　　氨合成塔出口氣體，溫度在230℃以下，經水冷器5冷卻至25～50℃，使部分氣氨液化成液氨。帶有液氨的循環(huán)氣進入氨分離器6分離出液氨。</p><p>　　為降低系統(tǒng)中惰性氣體的含量，在氨分離之后設有氣體放空管，定期排放一部分氣體。出氨分離器的氣體，經循環(huán)機補償系統(tǒng)壓力損失后，進入油分離器開始下一個循環(huán)。氨分離器和冷交換器下部分離出來的液氨，減壓至1．4～1．6 MPa后，由液氨總管送至液氨貯槽。<

76、;/p><p>　　圖2-3 中小型氨廠合成系統(tǒng)常用流程</p><p>　　1—油分離器；2—冷凝塔；3—氨冷器；4—氨合成塔；5—水冷器；6—氨分離器；7—循環(huán)機；8—副產蒸汽鍋爐</p><p><b>　　該流程的特點是：</b></p><p>　　①放空位置設在氨分離器之后，新鮮氣加入之前，氣體中氨含量較低，而

77、惰性氣體含量較高，因此可以減少氨損失和氫氮氣的損耗；</p><p>　　②循環(huán)機位于氨分離器和冷凝塔之間，循環(huán)氣溫度較低，有利于降低氣體的壓縮功耗；</p><p>　?、坌迈r氣在油分離器中加入，第二次氨分離時，可以利用冷凝下來的液氨洗滌去除油、水分和微量，以達到進一步凈化原料氣的目的。</p><p>　　該流程的主要缺陷是反應熱未充分利用。</p>

78、<p>　　2.3 合成氨的工藝操作條件</p><p>　　實際生產中，反應不可能達到平衡，合成工藝參數(shù)的選擇是工藝流程設計的一個重要內容。工藝參數(shù)主要包括壓力、溫度、空速、和氫氮比，入塔氨含量，惰性氣體含量等。優(yōu)化工藝參數(shù)要綜合考慮，把對投資有影響的裝置系統(tǒng)匹配和工藝參數(shù)以及能耗等同時考慮，以達到最佳的綜合技術經濟指標。</p><p><b>　　2.3.1催

79、化劑</b></p><p>　　1. 氨合成催化劑的化學組成和結構 </p><p>　　長期以來人們對氨合成催化劑作了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)對氨合成有活性的一系列金屬為U、Fe、Mo、Mn、W等，其中以鐵為主體并添加促進劑的鐵系催化劑價廉易得，活性良好，對毒物(如含氧化合物)的敏感性較低．從而獲得了廣泛應用。</p><p>　　目前，大多數(shù)鐵系催化

80、劑都是用經過精選的天然磁鐵礦通過熔融法制備。鐵催化劑的活性組分為a-Fe微晶，未還原前為和，其中質量分數(shù)為24％～38％，F(xiàn)e2+/Fe3+約為0.5，所以成分可視為，具有尖晶石結構。作為促進劑的成分有K2O、MgO、SiO2等。</p><p>　　氨合成鐵催化劑是一種黑色、有金屬光澤、帶磁性、外形不規(guī)則的固體顆粒，堆密度約為2.5～3.0kg/L，空隙率約為40％～50％.鐵催化劑在空氣中易受潮，引起可溶性鉀

81、鹽析出，使活性下降。經還原的鐵催化劑若暴露在空氣中則迅速燃燒，立即失掉活性。</p><p>　　2. 催化劑的還原和使用 </p><p>　　氨合成鐵催化劑中的，必須將其還原成a-Fe后才有催化活性。催化劑還原后的活性不僅與還原前的化學組成和結構有關，而且在很大程度上取決于還原過程的條件。因此，還原過程實際上是活性催化劑制造的關鍵步驟和最后階段。</p><p>

82、;　　催化劑還原反應式為：</p><p><b>　　（2-13）</b></p><p>　　確定還原條件的原則一方面是使Fe3O4充分還原為a-Fe，另方面是還原生成的鐵結晶不因重結晶而長大，以保證有最大的比表面積和更多的活性中心。為此，生產上宜選取合適的還原溫度、壓力空速及還原氣組成。</p><p>　　催化劑的還原過程多在氨合成塔內

83、進行，還原溫度借外熱(如電加熱器)維持，并嚴格按規(guī)定的溫度—時間曲線進行。催化劑的還原也可以在塔外進行，即催化劑的預還原。采用預還原催化劑不僅可以縮短合成塔的升溫還原時間．而旦也避免了在合成塔內不適宜的還原條件對催化劑活性的損害，為強化生產開辟了新的途徑。</p><p>　　預還原后的催化劑須經“鈍化”保存，即用含少量氧氣的氣體緩慢進行氧化，使催化劑表面形成保護膜。使用預還原催化劑的氨合成塔，只需稍加還原．即可

84、投入生產。</p><p>　　催化劑經長期使用后，其活性就會慢慢下降．表現(xiàn)為氨合成率逐漸降低，生產能力逐漸下降。其原因主要是細小結晶長大改變了催化劑的結構、催化劑中毒以及油霧等機械雜質遮蓋催化劑表面。</p><p>　　在合成氨的工業(yè)生產中．氫氮氣雖經精制，但由于精制的效果不同，往往還殘留少量的各種有害氣體，它們影響催化劑的活性。能使催化劑中毒的物質有氧及氧化合物(、、等)、硫及硫化物

85、(、等)、磷及磷的化臺物(PH3)、砷化合物以及潤滑油、銅氨液等。</p><p>　　硫、磷、砷及其化合物的中毒作用是不可逆的。氧及氧化合物是可逆毒物，中毒是暫時的，一旦氣體成分得到改善，催化劑的活性可以得到恢復。氣體中夾帶的油類或高級烴類在催化劑上裂解析炭，使其毛孔堵塞、遮蓋活性中心，后果介于可逆與不可逆中毒之間。另外，潤滑油中的硫分，同樣會引起催化劑中毒。若銅液被帶入氨合成塔，則催化劑的活性表面被覆蓋，也會

86、造成催化劑活性降低。</p><p>　　生產上，氫氮原料氣送往合成系統(tǒng)之前應充分清除各類毒物，以保證原料氣的純度。如果對催化劑使用得當．維護保養(yǎng)得好，使用數(shù)年仍能保持相當高的催化活性。</p><p><b>　　2.3.2 溫度</b></p><p>　　氨合成反應和其他可逆放熱反應一樣，溫度升高反應速度常數(shù)增大，氨的平衡濃度降低。由于總

87、反應速度受其正逆反應作用的影響，必定會在一定溫度范圍內存在著一個最適宜溫度(或稱最佳反應溫度，如圖2—4)，在該溫度下，反應速度最大，氨合成轉化率最高。</p><p>　　如圖2-4催化劑最適溫度曲線</p><p>　　1-平衡溫度曲線；2-最適宜溫度曲線</p><p>　　從理論上看，反應沿著最適宜溫度進行，催化劑用量最少，氨合成率最高，生產能力最大。但是在

88、實際工業(yè)生產中，不可能完全按最適宜溫度進行。反應初期，反應物濃度高，反應速率很高，能很快放出反應熱量，使溫度迅速上升至最適宜溫度，再繼續(xù)反應，則將超過最適宜溫度。故工業(yè)上需一邊反應一邊冷卻，采用間接換熱式或直接冷激式方法冷卻，只是盡可能地接近最適宜溫度而已。 </p><p><b>　　2.3.3 壓力</b></p><p>　　由化學反應式知，氨合成反應是一個體

89、積縮小的反應，提高壓力有利于反應向生成氨的方向進行，而且反應速度隨著壓力的提高而增大，同時氨分離流程可以簡化。生產上選擇操作壓力的主要依據(jù)是能量消耗以及包括能量消耗、原料費用、設備投資在內的所謂綜合費用。也就是說主要取決于技術經濟效果。通常氨合成壓力選擇應考慮三個因素。其一:要充分考慮能量消耗，即原料氣的壓縮功耗，循環(huán)氣的壓縮功耗和冷凍系統(tǒng)的壓縮功耗。圖2—5表示出合成系統(tǒng)能量消耗隨操作壓力的變化關系。提高操作壓力，合成率提高，循環(huán)氣量

90、減少，氣氨易分離，故曲線2一循環(huán)氣壓縮功和曲線3-氨分離冷凍功呈下降趨勢;曲線4一原料氣壓縮功則隨著壓力提高而大幅度提高;則總能耗隨壓力提高呈下降趨勢到一</p><p>　　定值后又回升。其二:壓力提高，設備體積減小，占地面積變小，冷凍系統(tǒng)設備投資也可以減少，故設備投資費用可以降低;但對設備材質、加工制造的要求提高，尤其當壓力過高，對設備材料和制造技術要求更高，設備投資又會迅速增加。所以基建費用隨壓力的提高會呈

91、下降趨勢，超過一定值又逐漸回升。其三:綜合費用不僅取決于操作壓力，還與生產流程、裝置的生產能力、操作條件、原料及動力以及設備的價格、熱量的綜合利用等因素有關。圖2—6采用三種不同流程時綜合費用與操作壓力的關系。</p><p>　　圖2-5能耗和壓力的關系</p><p>　　1-總能量消耗；2-循環(huán)氣壓縮功；3-氨分離冷凍功；4-氫氮氣壓縮功</p><p>　　

92、圖2—6綜合費用與操作壓力的關系</p><p>　　（以30MPa、二級冷凝流程的綜合費用為基準）</p><p>　　實線—三級冷凝流程；虛線—二級冷凝流程；點劃線—以及冷凝流程</p><p>　　根據(jù)實際情況，從能量消耗和綜合費用分析，我國中小型氨廠多采用20～32MPa。</p><p>　　2.3.4 空間速度</p>

93、<p>　　空間速率(簡稱空速)是指單位體積催化劑、單位時間內通過的氣體量。</p><p>　　氨合成反應在催化劑顆粒表面進行，氣體中氨含量與氣體和催化劑表面接觸時間有關。當反應溫度、壓力、進塔氣組成一定時，對于既定結構的合成塔，增加空速也就是加快氣體通過催化劑床層的速度，氣體與催化劑表面接觸時間縮短，使出塔氣中的氨含量降低；當空速太小時，氨合成的生產能力降低，循環(huán)氣量增大，能耗增加。在其他條件一

94、定時，增加空速能提高催化劑生產強度。但加大空速將使系統(tǒng)阻力增大，循環(huán)功耗增加，氨分離所需的冷凍功也加大。</p><p>　　一般操作壓力為30MPa的中壓法合成氨廠．空速在20000～30000h-1之間，氨凈值10％～15％。大型合成氨廠為充分利用反加熱，降低功耗并延長催化劑使用壽命，通常采用較低的空速。如操作壓力15MPa的軸向冷激式合成塔，空速取為10000h-1，氨凈值為10％。</p>

95、<p>　　2.3.5 合成塔進口氣體組成</p><p>　　合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量和進口氨含量</p><p>　?。?）氫氮比 當氫氮必為3時，對于氨合成反應，可獲得最大的平衡按濃度，但從動力學角度分析，最適宜氫氮比隨氨含量的變化而變化。從氨的合成反應動力學機理可知，氮的活性吸附是氨合成反應過程速度的控制步驟，因此適當提高氮氣濃度，對氨合成反應速度有利

96、。實際生產中，進塔氣體的氫氮比控制在2.8～2.9比較適宜。</p><p>　?。?）惰性氣體 惰性氣體不參與反應，也不毒害催化劑，但由于它的存在會降低氫氮氣的分壓，無論從化學平衡還是動力學角度分析都有弊無利，導致氨的生成率下降，能耗增多。</p><p>　　惰性氣體來源于新鮮空氣，隨著合成反應的進行，它們不參與反應而在系統(tǒng)中積累，新鮮氣中的惰性氣體又不斷補充進來，這樣合成系統(tǒng)中的惰

97、性氣體越來越多，為提高氨合成率，必須不斷從循環(huán)其中排放出去。排放量多，可是合成系統(tǒng)惰性氣體含量降低，氨合成率提高。但是氫和氮及部分氨也隨之排除，造成一定損失，故循環(huán)氣中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。</p><p>　　循環(huán)氣中惰性氣體的控制，還與操作壓力和催化劑有關。操作壓力較高及催化劑活性較好時，惰性氣體含量可高一些。相反，則控制低一些。由于原料其制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各不相同，循

98、環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。一般循環(huán)氣中的惰性氣體含量控制在16%～20%左右。反之宜控制在12%～16%之間。</p><p>　　(3) 進口氨含量 進塔氣中的氨含量，主要決定于氨分離時的凝聚溫度和分離效率。冷凝溫度越低，分離效果越好，則進塔氣體中的氨含量也就越低。降低進口氨含量，可加快反應速度，提離氨凈值和生產能力，循環(huán)氣壓縮功耗降低，但冷凍系統(tǒng)負荷增加。將進口氨含量降得過低，勢必過多地加重冷凍負

99、荷，導致冷凍功耗增加過多，經濟上并不可取。</p><p>　　進口氨含量與合成操作壓力和冷凝溫度有關。壓力高，氨合成反應速度快，進口氨含量可適當控制高些；壓力低，為保持一定的反應速度，進口氨含量應控制的低些。一般小合成氨廠進塔氨含量應控制在2.2%～3.5%之間。 </p><p>　　第三章 合成氨的主要設備</p><p><b>　　3.1 氨合成

100、塔</b></p><p>　　3.1.1合成塔的結構特點</p><p>　　高溫、高壓下，氫氣、氮氣對碳鋼有明顯的腐蝕作用。氫對碳鋼腐蝕有氫脆和氫腐蝕。</p><p>　　氫脆是氫溶解于金屬晶格中，使鋼材緩慢變形而發(fā)生脆性破壞。氫腐蝕是氫滲透至鋼材內部，使碳化物分解并生成甲烷(Fe3C+2H2=3Fe+CH4)，生成的甲烷聚集于晶界微觀孔隙中形成高

101、壓，導致應力集中，沿晶界出現(xiàn)破壞裂紋，并在鋼材中聚積形成宏觀鼓泡。氫腐蝕與壓力、溫度有關，溫度超過221℃、氫分壓大于1.43 MPa時發(fā)生氫腐蝕。氮氣在高溫、高壓下與鋼中的鐵及其他合金元素生成硬而脆的氮化物，導致金屬力學性能降低。</p><p>　　氨合成塔由外筒和內件所組成，內件置于外筒之中，其結構如圖3—1所示。內件由催化劑筐、熱交換器、電加熱器三部分構成．在500℃左右的高溫下操作，只承受環(huán)隙氣流與內件

102、氣流間壓差(一般為0.5～2 MPa)，即只承受高溫而不承受高壓。內件外面設有保溫層，減少向外筒散熱，內件一般用合金鋼，塔徑較小時也可用純鐵制作。大型氨合成塔內件，一般不設電加熱器而由塔外加熱爐供熱，內件使用壽命比外筒短得多。</p><p>　　外筒材質為普通低合金鋼或優(yōu)質碳鋼，主要承受高壓而不承受高溫，正常使用壽命可達四五十年以上。</p><p>　　氨合成的最適宜溫度，隨氨含量的增

103、加而逐漸降低。因此，隨著反應的進行，催化劑層應采取逐漸降溫措施。</p><p><b>　　圖3—1氨合成塔</b></p><p>　　1-塔體下部；2-托架；3-底座；4-花板；5-熱交換器；6-外筒；7-擋板；8-冷氣管；9-分氣盒；10-溫度；11-冷管（雙套管）；12-中心管；13-電爐；14-大法蘭；15-頭蓋；16-催化劑床蓋；17-催化劑床</

104、p><p>　　3.2 列管式石墨換熱器</p><p>　　石墨換熱器是用于冷卻或加熱氣體的設備，主要有列管式和塊孔式。圖3-2給出了上蓋設置冷卻水箱的浮頭列管式石墨換熱器，可出于合成爐經空氣冷卻導管后的高溫氯化氫氣的冷卻，水箱的設置可以降低氣體進口部位特別是上管板的溫度，不致經受高溫而使管板與列管的膠接縫處因材料熱膨脹系數(shù)差異而膿裂損壞。</p><p>　　由圖可

105、見，與氣體接觸部分均用石墨材料制造，這種石墨是浸漬過酚醛或酮樹脂的所謂“不造性石墨”。如上、下管板是由小尺寸石墨塊交叉膠接后，經過車圓、浸漬、鉆孔、浸漬、再精加工而完成的，列管則是由石墨粉與酚醛樹脂捏合擠壓成型的；列管與管板(或浮頭)間借酚醛膠泥粘合而成。列管外的殼體是通入冷卻水，所以可用普通低碳鋼制作，折流板選用硬聚氯乙烯樹料。下管板又稱浮頭，當操作溫度高于或低于安裝溫度時，石墨列管由于具有較大的熱膨脹系數(shù)，使它比鋼質的外殼體發(fā)生較大

106、的伸長或收縮．鋼殼體與浮頭間的填料函結構，就是為了防止團這種溫差引起的伸縮不致使石墨管或膠接處拉裂而產生泄漏的結構。也就是說，借支耳立式安裝的石墨換熱器，上管板和鋼殼是固定的，當操作溫度變化時，由于列管與外殼伸縮下一致，導致浮頭、底蓋，乃至與底蓋相連的管道都有觀察不到的伸縮(或稱作浮動)，這就是浮頭式石墨換熱器的重要性，所以，當與底蓋連接的管道直徑較大，彎頭直管段較短難以自然熱補償時，應根據(jù)伸縮情況加設管道熱補償器。顯易見，對于列管式石

107、墨換熱器，立式安裝比斜式或臥式安裝更有利于浮頭的自由伸縮。</p><p>　　圖3—2 列管式石墨換熱器</p><p>　　1-法蘭；2-上管板；3-填料；4-壓盞；5-半開環(huán)；6-底蓋；7-浮頭；8- 鍋殼；9-石墨列管；10-折流板；11-支耳；12-冷卻水箱</p><p>　　3.3 壓縮機

108、 </p><p>

109、;　　轉化后的合成氣體如采用加壓，則合成氣的壓縮是一道不可缺少的工序。在壓縮過程中，氣體的溫度、壓力、體積的變化遵循以下方程式：</p><p>　　P1V1/T1=P2V2/T2</p><p>　　經壓縮后的氣體溫度和壓力是升高的，而體積則是縮小的。圖3—3 為離心式壓縮機的結構：</p><p>　　圖3-3 離心壓縮機</p><p&g